文/于廣欣 紀欽洪 劉強 肖鋼 熊亮，中海油研究總院，現(xiàn)代化工
氫是宇宙中最豐富的元素。氫能作為二次能源是最佳碳中和能源載體，可用于發(fā)電、發(fā)熱、交通燃料，具有零污染、熱值高、可存儲、儲量足、應用廣等優(yōu)點。氫的儲能屬性使其具備跨時間和空間靈活應用的潛力，能與可再生能源有效銜接，助力可再生能源消納與更大規(guī)模發(fā)展。正是基于氫的優(yōu)點與潛能，在應對氣候變化、全球能源轉型的大背景下，國際上普遍認為氫能將成為未來能源系統(tǒng)的關鍵節(jié)點，在全球能源轉型及提高能源系統(tǒng)靈活性方面發(fā)揮關鍵作用。而近些年全球資本、技術、輿論等因素正共同催生本輪氫能熱潮。
1 氫能產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
本輪氫能熱潮起于歐美日發(fā)達國家，并逐步擴展至全球。歐盟、美國、日本已將氫能納入國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，并出臺產業(yè)發(fā)展規(guī)劃和支持政策。美國重視氫能產業(yè)鏈關鍵技術培育，應用方面固定式燃料電池發(fā)電、氫燃料電池叉車和汽車有絕對優(yōu)勢。歐盟實現(xiàn)凈零排放，氫能是其重要抓手，德國制定《國家氫能戰(zhàn)略》支持可再生能源制氫、氫基合成燃料、燃料電池產業(yè)與技術發(fā)展。日本、韓國發(fā)布詳細的發(fā)展路線圖，政策導向明確，在燃料電池車、家用燃料電池、加氫站網絡和氫技術開發(fā)處于領先。國際氫能理事會發(fā)布的《Hydrogen Scaling Up》報告預測，2050年氫能約占全球能源需求的18%，工業(yè)、交通、建筑供暖供電是氫能應用重點領域。
國內將氫能定位戰(zhàn)略能源技術，政策利好逐步釋放。2019年氫能首次被寫入政府工作報告，2020年《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》第一次將氫能列為能源范疇，同年氫能納入年度國民經濟和社會發(fā)展計劃，并啟動燃料電池汽車示范推廣及國家氫能產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃編制。國家層面從立法、頂層設計、示范應用等層面給予氫能產業(yè)持續(xù)的政策支持，統(tǒng)籌規(guī)劃、引導、規(guī)范氫能產業(yè)健康持續(xù)發(fā)展。在持續(xù)穩(wěn)定的政策環(huán)境下，社會資本、產業(yè)鏈上下游相關企業(yè)、地方政府等多因素疊加催化下，近幾年國內以加氫站為代表的氫能基礎設施（表1），制-儲-運-用產業(yè)鏈關鍵技術與裝備得到發(fā)展，初步形成珠三角、長三角、京津冀等氫能產業(yè)熱點區(qū)域，目前產業(yè)整體處于技術研究與示范應用階段。根據公開資料整理，目前國內氫燃料汽車超過6000輛，在運營加氫站46座?！吨袊鴼淠茉醇叭剂想姵禺a業(yè)白皮書（2019）》預測，2035年氫能占國內終端能源總量5.9%，加氫站數量1500座，燃料電池車保有量130萬輛。
面對全球應對氣候變化政策倒逼，Shell、Total、BP等歐洲石油公司相繼提出2050年“凈零碳排放”目標，押注綠色低碳能源成為普遍選擇，其中布局綠色氫工廠、加氫站等氫能業(yè)務是重點方向。至今，殼牌氫能業(yè)務已在美國、日本、德國投資超過24座加氫站，并與道達爾等企業(yè)合作在德國加速推進H2 Mobility項目（預期加氫站建設規(guī)模超過400座）。國內石化企業(yè)在發(fā)展氫能方面，具有氫源和銷售網絡的優(yōu)勢，中國石化等已開展制氫、加氫站及儲運設施網絡的規(guī)劃和建設，2018年中國石化加入國際氫能委員會，2019年與法液空開展氫能合作，采用“油氫電一體化”新模式，在現(xiàn)有加油站基礎上配建加氫站，目前已在廣東、上海、浙江建成油氫合建站4座。
2 產業(yè)鏈技術與成本瓶頸分析
全球氫能及氫燃料電池車示范應用進展顯著，但氫能產業(yè)涉及制、儲、運、用多個環(huán)節(jié)，產業(yè)鏈長，技術復雜，現(xiàn)實中氫能大規(guī)模推廣應用仍面臨氫燃料電池制造成本高、加氫站設施薄弱、終端用氫成本高等瓶頸。
2.1 技術因素導致制造氫燃料電池成本較高
氫燃料電池系統(tǒng)由電堆、供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部件共同構成。電堆是將化學能轉化為電能的核心部件，電堆成本占氫燃料電池系統(tǒng)總成本60%左右（見圖1）。造成電堆成本居高的主要因素包括：膜電極、電堆加工制造過程及使用環(huán)境要求。而電堆技術的瓶頸也導致氫燃料電池系統(tǒng)成本較高。
膜電極是電堆的核心部件，由催化劑、質子交換膜、碳紙組成，其成本約占氫燃料電池系統(tǒng)的36%。目前商用催化劑為鉑/碳，其成本約占氫燃料電池系統(tǒng)成本的23%，是成本的主要來源。質子交換膜、碳紙材料成本也較高，國內主要依靠進口，在性能和批量化上與國外還存在差距。膜電極已經發(fā)展到第三代有序化膜電極技術，趨勢是降低大電流密度下的傳質阻力，進一步提高燃料電池性能，降低催化劑用量，使膜電極的材料成本大幅降低。
均一性是制約電堆性能的重要因素，也是影響制造成本的關鍵。電堆通常由數百節(jié)單電池串聯(lián)而成，均一性與材料的均一性、部件制造過程的均一性有關；特別是流體分配的均一性，不僅與材料、部件、結構有關，還與電堆組裝過程、操作過程密切相關。由于操作過程生成水累積引起的不均一、電堆邊緣效應引起的不均一等，電堆中一節(jié)或少數幾節(jié)單電池的不均一會導致局部單節(jié)電壓過低，限制了電流的加載幅度。設計、制造、組裝、操作控制等環(huán)節(jié)產生的不均一性直接影響電堆的比功率，進而影響電堆成本。
氫燃料電池使用環(huán)境對其壽命和性能有重要影響。鉑基催化劑與燃料中的一氧化碳、硫等物質發(fā)生反應會導致其失去活性，無法再進行催化作用，進而導致電堆壽命縮減?？諝庵袠O少量SO2和NOx雜質會引起燃料電池中毒，造成燃料電池電壓衰減，進而影響燃料電池性能。有關空氣質量、氫氣品質對氫燃料電池車使用性能的影響已被業(yè)界關注。2017年10月豐田公司啟動氫燃料電池車Mirai在中國的適應性實證實驗。2019年7月1日實施的GB/T 37244-2018《質子交換膜燃料電池汽車用燃料 氫氣》對適用于聚全氟磺酸類質子交換膜燃料電池汽車用燃料氫氣的純度、雜質含量等指標進行了規(guī)定。
2.2 氫燃料電池車成本較高限制了商業(yè)化銷售規(guī)模
車用燃料電池系統(tǒng)成本高是造成氫燃料電池車售價高的主要根源。由電堆、氫瓶和空壓機等主要部件組成的燃料電池系統(tǒng)是氫燃料電池車的核心，約占氫燃料電池車成本的50%。其中除電堆成本高外，供氫系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)成本也較高，技術上與國外還存在較大差距。
氫燃料電池車尚未規(guī)?；a，市場銷量有限。目前，全球最大的氫燃料電池車企業(yè)——豐田公司現(xiàn)有生產能力僅3000輛/年，2020年也只能達到3萬輛/年，本田、現(xiàn)代、日產、上汽等車企雖相繼推出商業(yè)化車型，但市場銷量依然有限（見表2）。氫燃料電池發(fā)動機企業(yè)億華通與宇通客車、福田汽車、中通客車等車企合作，建設了國內首條自動化氫燃料電池發(fā)動機生產線，年產能也僅1萬臺。生產規(guī)模小導致整車成本較高，如豐田公司官網上2020款Mirai售價為58 550美元，是混合動力2020款PRIUS售價（24325美元）的2.5倍，遠高于消費者預期。
降低燃料電池系統(tǒng)成本是目前車企及相關領域研究機構關注的重點和研究的方向。根據美國能源部研究數據，車用燃料電池系統(tǒng)生產成本從2006年的124美元/kW降至2015年的53美元/kW，下降幅度近60%，2020年目標降至40美元/kW。我國《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》中，車用燃料電池系統(tǒng)生產成本2020年目標是1000元/kW，2025年500元/kW，2030年150元/kW，預期成本下降幅度很大。
2.3 加注車輛少及設備國產化仍是早期加氫站發(fā)展的主要限制因素
加氫站的建設與運營仍面臨發(fā)展初期的困難。新建加氫站及將現(xiàn)有加油站改造為加油加氫站難度較大。新建加氫站建設標準主要采用《GB 50516—2010加氫站技術規(guī)范》，其對氫氣儲運安全和建站選址條件的要求較高，特別是加氫站的氫氣工藝設施與站外建筑物、構筑物的防火距離。加油加氫合建站設計要符合《GB 50156汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》，依托現(xiàn)有加油站設施進行改造困難較大，特別是大城市、人口密集地區(qū)問題更加突出。
加氫站的網絡布局與氫燃料電池車的市場規(guī)模依然是產業(yè)初期互相掣肘的因素。純電動車推廣和充電樁建設也曾經面臨過同樣問題，加注車輛較少，限制了加氫站的良性滾動發(fā)展。目前國內建設和在運營加氫站分別是66座和46座，分布在19個省市，其中廣東、上海、江蘇、山東是加氫站主要集中地區(qū)（見表3）。目前國內加氫站數量與規(guī)劃2020年建設100座、2030年建成1000座還有較大差距。國內最早示范運營的上海安亭、北京永豐加氫站始終處于加氫車輛少的尷尬局面。德國H2 Mobility項目已建成的加氫站也存在車少的狀況，但仍在推進2023年建設400座加氫站網絡的目標，試圖解決產業(yè)初期的問題。
加氫站設備國產化還面臨瓶頸，氫氣壓縮機、加注機等關鍵設備目前仍以進口為主。根據公開資料整理，加注量1000kg/d的35MPa加氫站建設成本高達1500萬元，高出加油站數倍。其中儲氫裝置、壓縮機、加注機、站控系統(tǒng)等占加氫站總投資約60%，其中氫壓縮機占比最高，約為30%。
2.4 終端用氫成本高，制儲運關鍵技術亟待突破
目前，氫作為燃料的價格仍遠高于化石燃料。氫燃料電池車的用氫成本包括從制、儲、運到加注的全過程成本。與傳統(tǒng)燃油車相比，氫燃料電池車百公里消耗的燃料費用要高于燃油車。根據國內示范項目的運行經驗初步估算，氫燃料電池車的燃料費用約為燃油車的1.8倍左右。氫燃料終端售價雖高于化石燃料，但國內外仍通過車企、政府補貼方式來彌補氫燃料價格的劣勢，推動氫燃料電池車產業(yè)發(fā)展。
化石能源制氫技術成熟、規(guī)模大、成本低（見表4）。國內現(xiàn)有工業(yè)制氫產能為2500萬t/a，氫氣來源構成主要是煤制氫、天然氣制氫、石油制氫、工業(yè)副產氫以及電解水制氫，占比分別是40%、12%、12%、32%和4%。在氫能及氫燃料電池車產業(yè)發(fā)展初期，化石能源制氫以及工業(yè)副產氫是低成本氫燃料的主要來源，有利于推動產業(yè)發(fā)展。但化石能源制氫CO2排放量大，利用可再生能源制取低成本氫氣是業(yè)界一直瞄準的方向和攻關重點，最終目標是氫氣價格與化石燃料價格持平。
綠色、低成本制氫技術是氫能產業(yè)發(fā)展的關鍵。質子交換膜（PEM）水電解制氫技術在總體效率、工作電流密度、氫氣純度、產氣壓力以及動態(tài)響應速度等方面優(yōu)于堿性水電解制氫技術（詳見表5），能適應可再生能源發(fā)電的波動性，是氫能產業(yè)鏈發(fā)展的重點技術之一，但目前面臨采用鉑催化劑、電耗高而導致的制氫成本較高問題。突破鉑催化劑、電堆等關鍵技術，進一步提高電流密度、系統(tǒng)能效、降低投資是PEM制氫技術的重點開發(fā)方向。
目前國內氫儲運標準、規(guī)范不完善，導致氫燃料只能以氣態(tài)方式運輸，限制了加氫站的技術選擇。液氫儲運在國內僅用于航天軍工領域，商用加氫站未有液氫供應的標準和規(guī)范。國家層面正通過立法將氫能作為能源進行管理，并制定商用液氫制、儲、運、用相關標準，2019年已完成三項液氫國家標準征求意見稿，將填補國內民用領域液氫標準空白，由此可能帶來氫能全產業(yè)鏈技術突破，從而降低終端用氫成本。
液態(tài)氫密度高達70.6g/L（-253℃），相同有效裝載容積下液氫儲運能力遠高于高壓儲氫。盡管氫液化的能耗比氫壓縮的能耗高1倍以上，但在運輸環(huán)節(jié)液氫的運輸成本只有高壓氫的1/5~1/8。國外仍采用高壓氫氣管束車作為主要運氫方式，氣態(tài)氫限制了儲運能力，詳見表6。
3 思考與建議
氫能及燃料電池產業(yè)已進入早期示范應用階段，大規(guī)模商業(yè)化推廣仍需解決產業(yè)鏈關鍵環(huán)節(jié)的技術與成本瓶頸。具體來講，加快氫能及燃料電池產業(yè)商業(yè)化步伐需要政策、規(guī)劃、標準規(guī)范、技術等因素協(xié)同發(fā)力。
持續(xù)穩(wěn)定的產業(yè)支持環(huán)境，配套相應的產業(yè)補貼，對早期氫能產業(yè)發(fā)展至關重要哦。國家應盡快啟動氫能及燃料電池產業(yè)頂層設計，編寫國家產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，制定產業(yè)發(fā)展實施方案，統(tǒng)籌規(guī)劃氫能產業(yè)重點發(fā)展區(qū)域，明確產業(yè)鏈制、儲、運、用環(huán)節(jié)的發(fā)展路徑。技術方面，加強綠色低碳制氫、高效低成本燃料電池、氫壓縮機、加氫機等產業(yè)鏈關鍵技術、核心零部件重點攻關，加快設備國產化，完善產業(yè)鏈標準規(guī)范。具體實施建議國家主導設立氫能科技重大項目，聯(lián)合企業(yè)、高校科研院所，集中力量突破核心技術、材料、裝備及關鍵零部件，打造自主技術、材料、設備生態(tài)鏈，進一步降低成本，推動產業(yè)健康快速發(fā)展。
展望未來綠色氫氣制取、儲運、加注與燃料電池技術突破以及氫能基礎設施完善與普及，將激發(fā)氫能及燃料電池產業(yè)應用場景多元化與規(guī)?；瘧?，推動氫能在全球能源轉型中擔當更加重要的角色。
